4.3 Резисторы гис

4.3.1 Конструкции пленочных резисторов

Пленочный резистор располагают на поверхности диэлектрической подложки. На рис. 4.1 изображены наиболее распространенные конфигурации плёночных резисторов. Простейшая полосковая конструкция резистора, изображённая на рисунке 4.1, а, состоит из резистивной пленки (1), имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок (2). Оба конца резистивной плёнки на участке Lк (3) перекрыты контактными проводниковыми площадками. Размеры L и В являются длиной и шириной резистора соответственно. Ширина контактной площадки Вк превышает ширину резистивной полосы В и перекрытие Lк по длине функционально необходимы с тем, чтобы технологические искажения размеров не приводили к завышению сопротивления контактных переходов между резистивным слоем и контактными площадками. Другие конструктивные исполнения, изображённые на рис. 4.1,б, г, д, определяются как модификации изогнутых, а изображённые на рис. 4.1, в, е — как составные. Составные модификации применяются в масочных технологиях, для которых изогнутые конфигурации окон в масочных трафаретах приводят к их «провисанию» и искажению размеров формируемых плёночных фрагментов. Переход к изогнутым и составным конфигурациям резисторов, как отмечалось применительно к полупроводниковым резисторам, может потребоваться при необходимости рационализации компоновки топологических фрагментов в монтажном пространстве платы.

Втолстопленочных микросхемах используют главным образом прямоугольные полосковые резисторы (см. рис. 4.1,а). Резисторы сложной (4.1, б...е) формы используют в тонкопленочных гибридных микросхемах для формирования сопротивлений больших номиналов. Применение таких конструкций позволяет несколько сэкономить площадь, отводимую под резистор, и рационально скомпоновать топологию для размещения других элементов и компонентов микросхемы.

Резисторы типа меандр имеют технологические ограничения на уменьшение размера а и увеличение размера В (см. рис. 4.1, б) аналогично полосковым резисторам в отношении их коэффициента формы. Обычно при масочном методе в конфигурации резисторов стараются придерживаться соотношения В/а ≤10, и а ≈ 2 t, где t — толщина биметаллической маски, а 2 t — минимальное допустимое технологией расстояние между двумя щелями в биметаллической маске. Для составного резистора (см. рис. 4.1, в) допускается В_х/а ≤ 50, так как прямоугольные резистивные полоски и проводящие перемычки формируются раздельно с помощью двух различных масок. Эта же технологическая особенность позволяет формировать тонкопленочные резисторы сложной нерегулярной формы (см. рис. 4.1, д) с применением дополнительных металлических перемычек по углам контура резистора.

Конструкция (см. рис. 4.1, е), представляющая собой параллельное соединение группы резистивных полосок, характерна для мощных резисторов. В ней обеспечивается более равномерное распределение температуры по поверхности подложки, занятой резистором.

В резисторах сложной формы для исключения влияния неточности совмещения резистивного слоя с контактами необходимо располагать контакты относительно резистивной полосы так, чтобы направления тока втекающего в резистор и вытекающего совпадали.

В

а

б

в

г

конструкциях резисторов топологическими конфигурациями изображёнными на рис. 4.1,б, г, д, плотность тока в изгибах неравномерна. Участок изгиба (см. рис. 4.2, г) имеет пониженное сопротивление в сравнении с линейным участком той же длины (по средней линии), что требует корректировки длины резистора в сторону её увеличения. Участок, включающий три квадрата (см. рис. 4.2, б), вместо 3R□ имеет сопротивление 2,55R□. Участок из пяти квадратов (см. рис. 4.2, в) вместо 5R□ имеет сопротивление 4R□. Коэффициенты «2,55» и «4» являются коэффициентами формы Кфи соответствующих изогнутых участков.

Сопротивление изогнутых резисторов представляется суммой сопротивлений прямолинейных участков и изгибов и определяется по формуле

R = R□ ∙[ (L/a) +2 ∙Kфко +  N∙Kфи], (4.1)

где R — номинал сопротивления;

R□ — сопротивление квадрата резистивного слоя (поверхностное сопротивление слоя);

Kфко — коэффициент формы контактной области;

N — число изгибов (если введены в топологию резистивной полосы);

Кфи — коэффициент формы изгиба (3 или 5 квадратов);

L, a — суммарная длина линейных участков резистивной полосы между границами уголковых изгибов и ширина резистивной полосы соответственно.

Вплёночных резисторах при несоответствии технологического отклонения сопротивления заданным требованиям по точности применяется технологическая корректировка (подгонка) сопротивления после группового формирования плёночных структур. Для такой корректировки предусматриваются ряд способов. Подстраиваемые плёночные резисторы принято называть резисторами с подгонкой сопротивления. Конструкции подгоняемых резисторов сплавной подгонкой сопротивления изображены на рис. 4.3. Применяют «плавную» и ступенчатую подгонку сопротивлений резисторов. Понятие «плавная» подгонка в определённой степени условное, так как акты воздействия на резистор для изменения его сопротивления вынужденно сопровождаются определённой паузой (выдержкой) перед контролем изменённого значения. Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных резисторов осуществляют изменяя удельное поверхностное сопротивление плёнки (R□). Для этого применяется термическое, химическое или механическое воздействие на резистивную плёнку, при котором преобладает один из механизмов влияния:

• упорядочение структуры плёнки и снижение R□;

• окисление пленки и увеличение R□.

Распространённым способом плавной подгонки является изменение формы и размеров резистивной полосы механическим, термическим или электроискровым удалением части резистивного материала.

Для такой подгонки предусматривается увеличение ширины и длины резистивной полосы или в конструкцию резистивной полосы вводятся специальные расширенные подгоночные зоны. Плавная подгонка изменением размеров и формы проводящей области выполняется в сторону увеличения сопротивления (рис. 4.3, а...е). При плавной подгонке обеспечивается снижение отклонения сопротивления до значений сравнимых с температурными и временными изменениями (сотые доли процента).

Для целей подгонки используют воздушно-абразивную или лазерную технологию. Сопротивление при этом может изменяться только в сторону увеличения, поэтому при проектировании резисторов предусматривают отрицательный допуск сопротивлений относительно номинальных значений. Воздушно-абразивная подгонка проводится на установке, в которой струя воздуха, содержащая абразивный порошок, через сопло направляется на подгоняемый резистор и производит его фрезерование (см. рис. 4.3, а, б). Недостаток способа заключается в повреждении абразивными частицами соседних элементов; кроме того, в процессе подгонки разрушается верхний слой резистора, в основном состоящий из стекла и являющийся защитой от климатических воздействий. Процесс такой подгонки сопровождается выделением пыли.

При термической (лазерной) подгонке грубую подгонку выполняют выжиганием пленки поперек резистора. Изменение сопротивления в этом случае происходит с возрастающим по закону гиперболы вкладом и соответственно нарастающей погрешностью. Выжигание материала вдоль резистора (по направлению протекания тока) изменяет сопротивление по линейному закону в зависимости от длины участка выжигания с коэффициентом пропорциональности, зависящим от ширины резистивной полосы, при которой поперечное (грубое) выжигание материала прекращено.

При лазерной подгонке толстопленочных резисторов поврежденные участки резистора закрываются расплавленным стеклом. Для получения качественного реза важно подобрать режимы работы установки. Большая часть мощности лазерного излучения должна расходоваться на испарение резистивного материала. В противном случае при охлаждении после подгонки вокруг лазерного реза образуется множество микротрещин, которые приводят к снижению стабильности сопротивления резистора.

Процесс подгонки толстопленочных резисторов не отличается от подгонки (плавной) тонкопленочных резисторов. Разброс сопротивлений толстоплёночных резисторов после вжигания составляет 30...40 % вследствие изменения параметров подложек в партии, погрешности оснастки, используемой при нанесении, отклонений в поддержании режимов вжигания и целого ряда других факторов. Если все резисторы на подложке имеют отклонения сопротивлений в одну сторону, может быть проведена групповая подгонка путем повторного вжигания. При этом происходит уменьшение сопротивлений. Низкая точность групповой подгонки не позволяет полностью отказаться от индивидуальной подгонки каждого резистора.

Для ступенчатой подгонки сопротивления в конструкциях резисторов предусматриваются металлические перемычки в подгоночных секциях. Сопротивление изменяется образованием или разрушением перемычек в подгоночных секциях. В конструкциях резисторов, изображённых на рисунках 4.4, а, б, в, к сопротивлению основного резистора добавляют сопротивление секций с постоянным (см. рис. 4.4, б) или переменным (см. рис. 4.4, а, в) шагом. В конструкции резистора, изображённой на рис. 4.4, г, применяемой при подгонке сопротивлений низкоомных резисторов, сопротивление подгоночной секции увеличивается за счет уменьшения количества шунтов.

Рисунок 4.4

Качество ступенчатой подгонки зависит от технологического отклонения поверхностного сопротивления (δR□), так как в резисторах со ступенчатой подгонкой число контактных переходов «проводник-резистивная плёнка», повышающих вносимую погрешность сопротивления, увеличивается с повышением планируемой точности подгонки. Минимальная погрешность сопротивления при ступенчатой подгонке пропорциональна (δR□)² и для ГИМС превышает 0,5 %.

При лужении проводников толстопленочной микросхемы изменяются и сопротивления резисторов на 1...2 % в зависимости от материала резистивной пасты и ее удельного сопротивления. Поэтому точная подгонка прецизионных толстопленочных резисторов должна проводиться после лужения проводников.